Кратко о механизме и влиянии
- Хроматическая дисперсия (ХД) — зависимость групповой скорости от длины волны: компоненты импульса с разными $\lambda$ расходятся во времени, что приводит к расширению импульса и перекрытию соседних битов (ISI).
- Для большинства практических оценок используют параметры: дисперсионный коэффициент $D$ в единицах $\mathrm{ps}/(\mathrm{nm}\cdot \mathrm{km})$ и длину волокна $L$. В простейшей аппроксимации временное уширение из‑за ХД равно
$$\Delta T\approx |D|\Delta \lambda L,$$ где $\Delta \lambda$ — спектральная ширина сигнала. Требование малой ISI: $\Delta T\ll T_b=1/B$ (период бита при скорости $B$). Отсюда приближённое ограничение на бит‑скорость:
$$B\ll \frac{1}{|D|\Delta \lambda L}\text{или}B\cdot L\lesssim \frac{1}{|D|\Delta \lambda }.$$ - Пример: для SMF‑28 при $\lambda =1550\mathrm{nm}$ обычно $D\approx 16\mathrm{ps}/(\mathrm{nm}\cdot \mathrm{km})$. При $L=100\mathrm{km}$ и $\Delta \lambda =0.1\mathrm{nm}$ получаем
$$\Delta T\approx 16\cdot 0.1\cdot 100=160\mathrm{ps},$$ что уже больше периода бита при $10Gb/s$ ($T_b=100\mathrm{ps}$) — значит сильная деградация.
Уравнения на уровне распространения: часто используют параметр вторичного дисперсионного сдвига ${\beta }_2$ (GVD), связанный с $D$ через
$$D=-\frac{2\pi c}{{\lambda }^2}{\beta }_2.$$
Методы уменьшения хроматической дисперсии
1. Аппаратные оптические методы
- Дисперсионно-компенсирующее волокно (DCF): куски волокна с большим отрицательным $D$ ставят в линию для нейтрализации суммарной ХД. Применимо для обратимой компенсации на трассах.
- Хирпнутые (chirped) волоконные Брэгговские решётки (CFBG): отражают разные длины волны с разной задержкой — используются для компенсации в компактных модулях (малая вставочная потеря, фиксированная величина компенсации).
- Оптическая фазовая конъюгация (OPC): в негlineарном кристалле/волокне воспроизводится спектральная инверсия сигнала, после которой следующая секция волокна компенсирует накопленную дисперсию.
- Дисперсионно‑сдвинутые и не‑нулевые DSF/NZ-DSF: проектирование профиля ядра волокна так, чтобы нулевая дисперсия сдвигалась (или оставалась малой но не нулевой) в окне 1550 нм и уменьшались нелинейные эффекты при WDM.
2. Схемы управления картой дисперсии (dispersion management)
- Чередование участков с положительной и отрицательной дисперсией (дисперсионная карта) снижает пик импульса и уменьшает взаимодействие с нелинейностью. Часто используется в магистральных линиях.
3. Электронная компенсация (EDC) и когерентные приёмы
- В системах с когерентным приёмом DSP компенсирует большую долю ХД (и её высшие порядки) цифрово — позволяет работать без точечной оптической компенсации на больших скоростях и при широком WDM.
- Простые адаптивные фильтры/рекуррентные решётки (FEQ) в приёмнике применимы для малых и средних задержек.
4. Подстройка сигнала и модуляции
- Сужение спектра источника (узкая линия лазера), использование модуляций с меньшей спектральной шириной (например, формирование RZ/CSRZ, оптимизация ширины импульса) уменьшает $\Delta \lambda$.
- Предисперсия (pre‑compensation): преднамеренный частотный сдвиг/хирп на передающем конце, чтобы после прохождения волокна импульс восстановился.
- Использование форматoв с устойчивостью к дисперсии (коэрентные QAM с DSP, DQPSK и др).
5. Учет высших порядков и WDM
- Для широких спектров и WDM важен дисперсионный наклон (slope) и ${\beta }_3$ — применяют DCF/CFBG с корректным наклоном или многополосную компенсацию, а также индивидуальную компенсацию на каналы.
Когда и что применять (кратко)
- Короткие/метровые сети: обычно достаточно проектирования волокна и выбора лазера.
- Длинные магистрали WDM: комбинируют DCF/CFBG + дисперсионные карты или переходят на когерентный приём с DSP.
- Гибридные решения: частичная оптическая + цифровая компенсация (уменьшает требования к одному методу).
Вывод: хроматическая дисперсия ограничивает продукт бит‑скорость·длина через временное уширение $\Delta T\approx |D|\Delta \lambda L$. Для её уменьшения используются оптические (DCF, CFBG, DSF, OPC), системные (дисперсионные карты, пред/пост‑компенсация) и цифровые (кохерентный приём + DSP) методы — выбор зависит от длины линии, WDM‑масштаба и экономических ограничений.